Light Trapping Menginduksi Densitas Arus Hubungan Pendek Tinggi pada III-Nitrida Nanorods/Si (111) Sel Surya Heterojunction
Abstrak
Efisiensi fotovoltaik area efektif 1,27% dalam konversi daya, tidak termasuk area kontak logam grid dan di bawah 1 matahari, kondisi AM 1.5G, telah diperoleh untuk susunan dioda p-GaN/i-InGaN/n-GaN yang tumbuh secara epitaksial pada (111)-Si. Rapat arus hubung singkat adalah 14,96 mA/cm
2
dan tegangan rangkaian terbuka adalah 0,28 V. Peningkatan perangkap cahaya yang diperoleh melalui beberapa refleksi dalam struktur susunan nanorod III-nitrida bebas regangan dan cacat serta respons panjang gelombang pendek yang didorong oleh konstituen lebar celah pita III-nitrida diyakini berkontribusi pada peningkatan yang diamati dalam kinerja perangkat.
Pengantar
Pengembangan energi hijau menjadi semakin penting dan industri light-emitting diode (LED) serta sel surya telah berkembang pesat karena krisis energi yang terus meningkat. Selama beberapa dekade terakhir, semikonduktor III-nitrida telah berhasil diterapkan pada perangkat LED [1,2,3], yang telah menghasilkan manfaat komersial yang substansial. Saat ini, banyak ilmuwan berusaha untuk memanfaatkan potensi penelitian pada III-nitrida untuk aplikasi fotovoltaik [4, 5]. Bahan nitrida golongan III-V memiliki banyak keunggulan untuk sistem fotovoltaik, seperti celah pita langsung dengan koefisien penyerapan yang besar [4, 6], rentang celah pita lebar yang mencakup sebagian besar spektrum matahari melalui rekayasa pita [4, 6, 7], mobilitas pembawa yang tinggi [7], dan ketahanan radiasi yang unggul [8]. Berdasarkan sifat yang luar biasa ini, beberapa desain struktur perangkat disimulasikan, seperti sel tandem InGaN/Si [9,10,11,12,13,14], sel surya pembawa panas [15], sel surya berbasis Schottky [16, 17,18], sel surya junction tunggal [19,20,21,22,23,24] dan multiple [25, 26], serta efek polarisasi pada kinerja sel surya [9, 23, 27]. Simulasi telah memperkirakan bahwa sel tandem heterostruktural InGaN/Si dapat memiliki efisiensi setinggi 21-36% [10, 11, 13] berdasarkan model simulasi yang berbeda. Efisiensi konversi daya (PCE) sel surya tandem homostruktural InGaN dengan empat komposisi In yang berbeda diusulkan menjadi 51% di bawah radiasi 1 matahari dan 58% di bawah kondisi terkonsentrasi 250 matahari [26]. Namun, masalah pengotor dan rekombinasi non-radiatif menjadi semakin signifikan di bawah kondisi pertumbuhan film tipis InGaN suhu rendah [28,29,30]. Sesar susun yang signifikan dan densitas dislokasi akibat ketidaksesuaian kisi menyebabkan penurunan panjang difusi pembawa dan keterbatasan PCE sel surya [31,32,33,34]. Oleh karena itu, masih banyak tantangan untuk realisasi kemampuan potensial perangkat fotovoltaik III-nitrida efisiensi tinggi.
Dalam dekade terakhir, banyak topik penelitian yang relevan seperti metode pertumbuhan kristal InGaN tinggi pada substrat GaN berdiri bebas [34], doping InGaN tipe-p [35], desain sumur kuantum [36,37,38,39,40], elektroda desain [41,42,43,44], fotovoltaik konsentrator [37, 41, 45], sel surya pita menengah [46], dan struktur pengurangan refleksi [47,48,49] telah dipelajari. Selain itu, sel surya berbasis nitrida nonpolar diselidiki pada efek polarisasi [50, 51]. Dahal dkk. mendemonstrasikan operasi sel surya multi-kuantum-sumur-sumur InGaN yang lebih tinggi dari 30% pada panjang gelombang yang lebih panjang (> 420 nm) [38] dan menggambarkan efisiensi 3,03% di bawah peningkatan intensitas iluminasi hingga 30 matahari [37]. Mori dkk. menyelidiki sel surya berbasis nitrida konsentrator [45] dan menangani PCE tertinggi 4% yang dioperasikan pada intensitas cahaya tinggi hingga 300 matahari [41]. Meskipun beberapa kelompok penelitian memberikan desain struktural atau optik yang berbeda dan meningkatkan teknik pertumbuhan, PCE sel surya III-nitrida tidak banyak berkembang. Di sisi lain, Reichertz dkk. menunjukkan bahwa sel surya tandem layak dengan menumbuhkan p-n junction GaN secara epitaksial pada substrat p-n junction Si [14]. Hasil mereka menunjukkan bahwa substrat Si memberikan kontribusi efisiensi panjang gelombang panjang sementara nitrida memberikan kontribusi efisiensi panjang gelombang pendek. Substrat silikon tidak hanya memberikan solusi berbiaya rendah tetapi juga peningkatan PCE dan konduktivitas termal yang baik [52].
Biasanya, untuk pertumbuhan sel surya, lapisan film terus menerus tumbuh di atas satu sama lain dan ini menghasilkan kepadatan dislokasi yang tinggi. Namun, ketika III-nitrida ditanam dalam struktur nano, area dasar yang bersentuhan dengan substrat kecil sehingga dislokasi ulir berkurang dan regangan juga dapat diminimalkan. Tessarek dkk. melaporkan bahwa dislokasi nanorods GaN menghilang saat diameter turun menjadi 200 nm [53]. Oleh karena itu, sebagai alternatif untuk pertumbuhan film pada substrat silikon, akan menjadi pilihan yang lebih disukai untuk menumbuhkan sel surya nanorod III-nitrida untuk mengurangi biaya, meningkatkan kualitas kristal, dan untuk meningkatkan efisiensi sel. Selain itu, nanorod/nanowire memiliki kapasitas besar untuk aplikasi fotovoltaik karena elektron yang dihasilkan foto dapat dikumpulkan lebih efektif sebelum digabungkan kembali dengan lubang karena jalur langsung ke elektroda dan struktur nanorod dapat meningkatkan perangkap cahaya untuk meningkatkan penyerapan foton [54, 55]. Beberapa kelompok telah mendemonstrasikan fotodetektor [56, 57], nanolaser [58, 59], nano-LED [60, 61], dan aplikasi pemisahan air fotoelektrokimia [62] berdasarkan nanorods III-nitrida [55]. Meskipun demikian, kekurangan sel surya nanorod adalah bahwa pasangan lubang elektron yang dihasilkan foto bergabung kembali di pusat perangkap pembawa yang melimpah karena cacat permukaan. Selain itu, proses fabrikasi perangkat sel surya nanorod lebih rumit daripada perangkat film tipis. Namun, mengatasi masalah yang disebutkan di atas telah menghasilkan peningkatan PCE hampir tiga kali lipat seperti yang ditunjukkan oleh Wallentin et al. di mana array nanorod InP memiliki PCE 13,8% dari optimalisasi diameter nanorod dan panjang segmen-n atas [54, 63]. Krogstrup dkk. menunjukkan bahwa rapat arus hubung singkat yang tinggi (Jsc ) diperoleh dalam struktur nanowire GaAs kulit inti tunggal karena lebih dari satu urutan besarnya penyerapan cahaya yang ditingkatkan oleh konsentrasi cahaya [64]. Wierer dkk. [65], Cansizoglu dkk. [66], dan Nguyen dkk. [31] mendemonstrasikan berbagai jenis sel surya nitrida nanorod-array pada template GaN dan substrat Si. Perbandingan penelitian fotovoltaik nanorod/nanowire baru-baru ini tercantum dalam Informasi Tambahan:Tabel S1. Namun, kontribusi konversi fotolistrik dari perangkat fotovoltaik ansambel InGaN nanorod konten InGaN yang berbeda pada substrat Si (111) yang murah belum dibahas secara sistematis sejauh ini.
Dalam penelitian ini, ansambel nanorod Mg:GaN/InGaN/Si:GaN III-nitrida dengan konsentrasi indium 8% dan 11% ditumbuhkan pada substrat Si (111) yang didoping-n oleh epitaksi berkas molekul berbantuan plasma (PA-MBE, Veeco EPI930). Sifat struktural dan kandungan indium diperkirakan dengan difraksi sinar-x resolusi tinggi (HR-XRD, Bede D1) pengukuran. Struktur halus nanorod dianalisis dengan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HR-TEM, FEI E.O Tecnai F20 G2). Kerapatan arus versus tegangan (J-V) sifat sel surya nitrida dibahas di bawah 1 matahari, iluminasi AM 1.5G (Newport 94023A). Efisiensi kuantum eksternal (EQE, Enli Technology Co., Ltd., QE-R3018) diukur untuk mempelajari respons spektral. Penjajaran dan simulasi diagram pita juga diselidiki untuk menjelaskan transportasi elektron dan lubang.
Metode Eksperimental
Teknik Pertumbuhan
Pertumbuhan nanorod Si:GaN dan Mg:GaN/InGaN/Si:GaN didasarkan pada teknik plasma-assisted molecular beam epitaksi (PA-MBE). Semua sampel ditanam dengan sistem Veeco GEN930 PA-MBE yang dilengkapi dengan sumber plasma nitrogen 6N (Veeco, UNI-Bulb). Substrat Si (111) tipe-n dengan resistivitas 0,001-0,005 Ω cm dibersihkan dengan aseton, isopropanol, dan air deionisasi dalam penangas ultrasonik selama 5 menit pada setiap langkah untuk menghilangkan sisa kontaminasi organik dan kemudian digores dalam 48–51% HF:H2 O =larutan 1:5 selama 5 menit untuk menghilangkan oksida asli. Setelah proses pembersihan/pengetasan kimia, substrat Si ditiup kering dengan gas nitrogen. Substrat Si dimasukkan ke dalam ruang penyangga dan kemudian dipindahkan ke dalam ruang pertumbuhan dengan lengan transfer yang digabungkan secara magnetis. Sebelum pertumbuhan nanorod, substrat dibersihkan secara termal pada 900 °C selama 30 min untuk menghilangkan sisa oksida asli untuk mendapatkan permukaan Si yang direkonstruksi 7 × 7 yang bersih dan tertata. Atom nitrogen yang diaktifkan dihasilkan oleh pistol plasma dan fluks serta kemurniannya dikendalikan melalui pengontrol aliran massa resolusi tinggi (HORIBA STEC, SEC-7320 M) dan pemurni nitrogen (Entegris, CE35KFI4R). Kemurnian tinggi (6N atau lebih tinggi) sumber Ga, In, Si, dan Mg disediakan oleh sel efusi sumber padat. Logam grup III dan N2 plasma beam ekivalen pressure (BEP) diukur dengan beam flux gauge. Dengan mengontrol rasio fluks III/V pada kondisi kaya N, nanorod dapat diperoleh. Pertama, nanorod Si:GaN rakitan ditumbuhkan pada 760 °C selama 82 min. Desorpsi InN sangat penting pada suhu yang dinaikkan karena indium akan menguap dari permukaan sampel. Untuk mempertahankan indium dalam nanorod, teknik metal-modulated epitaksi (MME) digunakan [67, 68]. MME melibatkan pembukaan dan penutupan jendela logam secara berkala untuk memodulasi fluks logam, sedangkan N2 rana tetap terbuka. Untuk penyetelan konsentrasi Dalam, dua waktu siklus atom In dan Ga yang berbeda menumbuk substrat secara bergantian selama 20 s/30s (sampel B) dan 30 s/30 s (sampel C) dengan 50 periode pada 550 °C. Akhirnya, lapisan Mg:GaN ditumbuhkan pada 600 °C. Sampel ditanam di bawah 9,25 × 10
−6
torr nitrogen aktif BEP dengan daya plasma 450 W, 2,42 × 10
−8
torr Dalam BEP, dan 1,93 × 10
−8
torr Ga BEP. Selain itu, nanorod Si:GaN lapisan tunggal (sampel A) juga disiapkan sebagai kelompok terkontrol dalam kondisi yang sama.
Fabrikasi Perangkat
Setelah pertumbuhan nanorod, proses fabrikasi perangkat meliputi langkah-langkah berikut. (1) Luas perangkat 350 × 350 μm
2
mesa didefinisikan dengan etsa ke Si tipe-n dengan tetrafluorometana (CF4 ) berdasarkan teknik etsa ion reaktif (Advanced System Technology, Cirie-200) menggunakan photoresist (Microchemicals GmbH, AZ1400) sebagai masker. (2) Mandi ultrasonik dengan air de-ionisasi digunakan untuk membersihkan nanorods lepas dari perangkat kecuali dari area mesa. (3) Rendam sampel dalam (NH4 )2 S pada 60 °C selama 1 min untuk pasif permukaan nitrida untuk supresi oksida asli dan reduksi rekombinasi non-radiatif [69,70,71,72,73]. (4) Lapisan tipis indium tin oxide (ITO) 100-nm diendapkan di atas nanorod untuk berfungsi sebagai kontak transparan ohmik Mg:GaN dengan sputtering (Teknologi Sistem Lanjut, Psur-100HB) disertai dengan fotolitografi (Teknologi M&R Nano , AG350-6B) dan teknik pengangkatan. (5) Kontak logam grid multilayer Ti/Al/Ti/Au (20 nm/300 nm/20 nm/50 nm) pada film ITO dan pada substrat Si tipe-n dibuat dengan penguapan e-beam (Teknologi Sistem Lanjutan , Peva-600E) menggunakan fotolitografi dan teknik pengangkatan. (6) Semua kontak logam kisi dianil dengan sistem anil termal cepat (Teknologi Sistem Lanjutan, FA04) selama 30 detik dalam nitrogen pada 800 °C untuk mendapatkan kontak ohmik.
Persiapan Sampel TEM
Untuk mempelajari lebih lanjut struktur kristal, nanorod individu sampel B dan C diekstraksi dengan sonikasi dalam etanol. Setelah 30 menit sonikasi, beberapa tetes larutan etanol diaplikasikan pada jaringan tembaga (Ted Pella) dan etanol diuapkan pada suhu kamar. Sebelum pengukuran, sampel dipanggang pada suhu 150 °C untuk menghilangkan pelarut organik bebas.
Hasil dan Diskusi
Properti Morfologi dan Struktural
Tampilan atas dan tampilan penampang gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) ditunjukkan pada Gambar. 1a-f yang menggambarkan morfologi nanorod yang tumbuh. Dari kiri ke kanan, Gambar 1 a–c menunjukkan variasi morfologi permukaan Si:GaN (sampel A) dan Mg:GaN/InGaN/Si:GaN dengan atom In/Ga yang bervariasi dengan waktu siklus 20 s/30 s (sampel B) dan 30 s/30s (sampel C) masing-masing selama 50 siklus pertumbuhan InGaN. Diameter nanorod Si:GaN dan Mg:GaN/InGaN/Si:GaN masing-masing adalah 30–100 nm dan 80–150 nm, sedangkan densitas arealnya ~ 7 × 10
9
cm
−2
. Gambar penampang nanorod ditunjukkan pada Gambar 1d-f dan menunjukkan panjang nanorod sekitar 700 nm untuk sampel A hingga C. Struktur skema sampel Mg:GaN/InGaN/Si:GaN ditampilkan pada Gambar 1g.
Tampilan atas SEM dari a n-GaN (sampel A), p-GaN/InGaN/n-GaN dengan atom In dan Ga melanggar waktu siklus b 20-an/30-an (sampel B) dan c 30 s/30s (contoh C). Tampilan penampang SEM dari d contoh A, e sampel B, dan f contoh C. g Diagram skematik struktur nanorod p-GaN/InGaN/n-GaN
Gambar 2 a merekam pengukuran difraksi sinar-x theta-2theta yang berfokus pada sampel waktu siklus yang menumbuk sumber yang berbeda. Puncak terkuat yang terletak pada 28,44° berasal dari substrat Si. Puncak jernih yang tajam pada 34,56° sesuai dengan difraksi GaN (0002) dan menunjukkan penghambatan yang baik dari pencampuran fasa dari lapisan InGaN. Sebuah puncak pada sisi 2-theta yang lebih rendah dari puncak GaN (0002) pada 34,22° untuk sampel B dan pada 34,13° untuk sampel C adalah InGaN (0002). c konstanta kisi InN dan GaN masing-masing adalah 5,760 Å dan 5,185 Å [74]. Mengikuti hukum Bragg, c konstanta kisi InGaN (0002) dihitung sebagai 5,23 Å untuk sampel B dan 5,25 Å untuk sampel C. Mengimpor c konstanta kisi InGaN (0002) menurut hukum Vegard, konsentrasi In dapat diperkirakan sebesar 8% untuk sampel B dan 11% untuk sampel C tanpa mempertimbangkan regangan. Gambar 2 b menunjukkan gambar TEM perbesaran rendah sampel C dan diagram skema strukturnya. Area 1 dan area 2 masing-masing adalah daerah n-GaN dan InGaN. Pola difraksi elektron area selektif (SAED) yang diambil pada area 1 menunjukkan bahwa arah [0001] sejajar dengan sumbu panjang nanorod dan arah pertumbuhan umum nanorod nitrida. Selain itu, tidak ada dislokasi yang ditemukan dalam kristal. Pada Gambar 2 c dan d, gambar TEM resolusi atom menghasilkan c konstanta kisi GaN dan InGaN masing-masing sebesar 5,19 Å dan 5,25 Å, sama dengan hasil perhitungan hukum Bragg melalui XRD theta-2theta scan. Selain itu, c konstanta kisi InGaN untuk sampel B adalah 5,23 Å melalui gambar TEM resolusi atom yang ditunjukkan dalam Informasi Tambahan:Gambar S1. Selain itu, gambar medan gelap annular sudut tinggi (HAADF) dan pemindaian garis spektroskopi sinar-x (EDS) dispersif energi, yang menunjukkan distribusi indium, disertakan dalam Informasi Tambahan:Gambar S2.
a Spektrum HR-XRD untuk pemindaian theta-2theta. Kandungan indium dari bahan InGaN diperkirakan 8% untuk sampel B (kurva merah) dan 11% untuk sampel C (kurva biru) dengan menggunakan hukum Vegard. b Gambar TEM nanorod nitrida bebas dislokasi dan pola SAED wilayah n-GaN. Diagram skematik nanorod tunggal di bawah gambar mematuhi skala relatif struktural. Gambar TEM resolusi atom dari c n-GaN di area 1 dan d InGaN di area 2 menunjukkan bebas dislokasi dan c . mereka konstanta kisi
Analisis Karakteristik Listrik dan Optik
Kepadatan arus versus pengukuran tegangan dilakukan oleh meteran sumber Keithley 2400. Gambar 3 a menampilkan diagram skematik sel surya rakitan nanorod. Total area perangkat adalah 0,12 mm
2
dan luas efektif di bawah iluminasi tidak termasuk logam kontak adalah 0,0924 mm
2
. Untuk mengumpulkan elektron yang dihasilkan foton, film ITO konduktif transparan 100 nm diendapkan di bagian atas p-GaN untuk menghubungkan nanorod dan Ti/Al/Ti/Au (20 nm/300 nm/20 nm/50 nm ) elektroda jari. Analisis karakteristik fotolistrik perangkat juga dilakukan dengan simulator surya di bawah 1 matahari, kondisi AM 1.5G seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b-d. Resistansi seri Rs nilai yang ditentukan dari Gambar 3b–d adalah 83 Ω, 250 Ω, dan 2,5 kΩ dan resistansi shunt Rsh nilai masing-masing adalah 413 kΩ, 550 kΩ, dan 2 MΩ untuk sampel A, B, dan C. Kerapatan arus foto pada tegangan nol, Jsc , dari Dalam0,08 Ga0,92 Perangkat N (sampel B) dan Dalam0,11 Ga0,89 Perangkat N (sampel C) adalah 7,77 mA/cm
2
dan 14,96 mA/cm
2
masing-masing. Peningkatan arus foto selama peningkatan konsentrasi In ditunjukkan melalui Jsc perbandingan. Selanjutnya, Krogstrup et al. diilustrasikan bahwa properti pemusatan cahaya dalam sel surya nanorod dapat meningkatkan penyerapan cahaya dan memberikan arus foto yang tinggi [64]. Tegangan rangkaian terbuka (Voc ) dan fill factor (FF) sampel C masing-masing adalah 0,28 V dan 30%. Beberapa kelompok juga mendemonstrasikan struktur nanorod dengan Voc . yang lebih rendah [72, 75, 76]. Untuk menjelaskan kinerja fotovoltaik nyata di area yang benar-benar diterangi, PCE area efektif, PCEeff , menetapkan efisiensi berdasarkan area efektif yang tidak termasuk area elektroda grid, sedangkan area total PCE, PCEtot , mempertimbangkan seluruh area perangkat. Perlu dicatat bahwa PCEtot dan PCEeff nilai adalah 0,98% dan 1,27% yang menunjukkan PCE lebih tinggi dari sel surya nanorod nitrida yang pernah dilaporkan. Kontribusi utama berasal dari Jsc . yang tinggi , meskipun Voc lebih rendah dari sel surya nanorod III-nitrida lainnya [65, 77]. Ada dua kemungkinan penyebab rendahnya Voc , termasuk level quasi-Fermi terbatas pada p-n Si junction bahwa celah pita Si adalah 1,12 eV berdasarkan diagram pita dan jalur arus terbatas dapat dibuat karena pin level permukaan Fermi [66]. Tabel 1 merangkum Jsc , Voc , FF, dan perbandingan PCE dari tiga sampel.
a Nanorod merakit diagram skema sel surya. Kurva kerapatan-tegangan arus b n-GaN/n-Si, c p-GaN/In0,08 Ga0,92 N/n-GaN/n-Si, dan d p-GaN/In0.11 Ga0,89 N/n-GaN/n-Si nanorod merakit sel surya yang diukur di bawah 1 matahari, simulator surya AM 1.5G
Untuk memahami sifat fisik dan listrik, diagram pita dihitung dengan menggunakan program 1D-DDCC (One Dimensional Poisson, Drift-Diffusion, dan Schrodinger Solver) [78]. Afinitas elektron ITO, Si, dan GaN yang digunakan berturut-turut adalah 4,40 eV, 4,05 eV, dan 4,1 eV. Gambar 4 a dan b masing-masing menunjukkan diagram pita ITO/n-GaN/n-Si tanpa bias tegangan dan kurva J-V di bawah gelap. Ini menggambarkan bahwa struktur ITO/n-GaN/n-Si tidak memiliki efek penyearah dan menunjukkan profil J-V linier. Penghalang potensial dari antarmuka-hetero dapat diabaikan oleh pembawa untuk diangkut karena pita konduksi offset antara Si dan GaN diharapkan menjadi nilai kecil 50 meV. Kurva J-V linier seperti resistor ini bertentangan dengan hasil eksperimen.
a Diagram pita ITO/n-GaN/n-Si, b Kurva J-V ITO/n-GaN/n-Si, c Diagram pita ITO/n-GaN/p-Si/n-Si, dan d Kurva J-V ITO/n-GaN/p-Si/n-Si disimulasikan dengan program 1D-DDCC
Penjelasan yang mungkin dari hasil kurva J-V adalah bahwa difusi Ga menginduksi p-Si pada antarmuka GaN/Si dan menciptakan p-n junction. Reichertz dkk. [14] dan Neplokh et al. [76] telah memverifikasi difusi Al ke dalam substrat silikon selama pertumbuhan lapisan nitrida. Boron, Al, dan Ga merupakan unsur golongan IIIB yang dapat menjadi dopan untuk pembentukan lapisan p-Si. Namun, laju difusi Ga adalah 8 nm/hari pada 700 °C [79]. Gambar 4 c menunjukkan diagram pita yang mencakup lapisan p-Si yang sangat tipis (1 nm) antara antarmuka n-GaN dan n-Si. Medan listrik built-in kecil dibuat di persimpangan p-n Si yang dapat mendorong elektron ke substrat n-Si dan lubang ke lapisan kontak ITO. Kurva J-V yang bergantung pada ketebalan menunjukkan bahwa tegangan penyalaan dioda menurun ketika ketebalan lapisan p-Si menjadi lebih tipis pada Gambar. 4d. P-Si ultra-tipis akan menjadi batasan untuk pemisahan level quasi-Fermi dan mengurangi Voc dari kinerja surya. Sifat kelistrikan yang disimulasikan dengan menyertakan lapisan p-Si mendekati hasil penelitian ini. Oleh karena itu, diagram pita struktur Mg:GaN/InGaN/Si:GaN/p-Si/n-Si dapat dibangun sebagai model seperti pada Gambar 5. Penerangan cahaya AM 1.5G dari atas mengarah pada penyerapan foton dengan energi lebih tinggi dari celah pita InGaN. Ketika cahaya menyinari Si melalui batang dan ruang antara batang, foton dengan energi yang lebih besar dari celah pita Si juga dapat diserap oleh substrat p-n Si dan arus foto dihasilkan. Secara bersamaan, pasangan elektron-lubang yang dihasilkan di daerah nitrida oleh cahaya dengan panjang gelombang pendek dipisahkan oleh medan listrik built-in sambungan p-i-n. Pada akhirnya, pembawa yang dihasilkan foto dapat dikumpulkan melalui kontak indium tin oxide (ITO) atas ke Mg:GaN dan kontak Si n bawah. Berdasarkan model struktur ini dan mempertimbangkan penghalang Schottky yang diperkenalkan oleh kontak ITO, simulasi kurva J-V ditunjukkan pada Gambar. 5b. Kurva J-V yang disimulasikan menunjukkan bahwa bentuk-S disebabkan oleh perilaku non-ohmik dari kontak-p. Itulah kemungkinan alasan untuk menjelaskan bentuk-S yang ada untuk Mg:GaN/u-InGaN/Si:GaN (sampel B dan C) pada Gambar 3 c dan d. Oleh karena itu, rapat arus pada bias negatif (Jbias negatif (− 0,5 V) ) di mana bentuk-S diratakan dicatat dalam Tabel S2. Jbias negatif dapat menjadi titik pemeriksaan untuk pengoptimalan lebih lanjut dan nilai yang ditargetkan.
a Nanorod p-i-n nitrida pada diagram pita sel surya p-n Si disimulasikan dengan program 1D-DDCC. b Simulasi kurva J-V nanorod p-i-n nitrida pada sel surya p-n Si
Hasil pengukuran EQE tanpa bias cahaya (cahaya tidak termodulasi tambahan) ditunjukkan pada Gambar. 6a, yang membandingkan EQE Si:GaN/n:Si (sampel A), Mg:GaN/u-In0,08 Ga0,92 N/Si:GaN (sampel B), dan Mg:GaN/u-In0,11 Ga0,89 N/Si:GaN (contoh C). Sampel C memiliki konsentrasi In yang lebih tinggi yang mungkin bertanggung jawab atas nilai yang lebih tinggi pada panjang gelombang pendek karena penyerapan di lapisan InGaN. EQE maksimum pada sampel A, B, dan C masing-masing adalah 32%, 55%, dan 63%. Dibandingkan dengan spektrum reflektansi wafer Si, sampel A, B, dan C yang ditunjukkan pada Gambar. 6b, osilasi EQE dan spektrum reflektansi disebabkan oleh interferensi dari lapisan yang berbeda. Wafer Si telanjang memiliki reflektansi tertinggi karena permukaannya yang rata. Sampel A, B, dan C memiliki reflektansi yang lebih rendah karena struktur nanorod memiliki efek perangkap cahaya. Sampel C ditemukan memiliki EQE tertinggi pada panjang gelombang panjang dan reflektansi terendah karena efek perangkap cahaya tertinggi. Hasil ini dapat menjelaskan arus foto yang lebih tinggi yang dihasilkan dalam sampel C. Spektra fotoluminesensi (PL) suhu kamar (RT, 300 K) sampel B dan sampel C ditunjukkan pada Gambar. 6c. Puncak tertinggi yang terletak pada 3,40 eV adalah emisi GaN near band edge (NBE). Puncak yang terletak pada 3,09 eV dan 3,03 eV disebabkan oleh In0,08 Ga0,92 N dan Dalam0,11 Ga0,89 emisi NBE. Hasil tersebut mirip dengan nilai dari perhitungan persamaan bowing sebesar 3.1 eV dan 3.0 eV pada RT [4]. Ini juga menunjukkan osilasi Fabry-Perot kuat yang sama (ditandai dengan tanda bintang) seperti EQE dan spektrum reflektansi, yang mewakili antarmuka halus antara setiap lapisan/permukaan.
a Spektrum efisiensi kuantum eksternal dari tiga sampel nitrida nanorod/Si. b Spektrum reflektansi wafer Si kosong dan tiga sampel nanorod/Si nitrida. c Spektrum fotoluminesensi suhu kamar dari dua sampel InGaN
Kesimpulan
Nanorod Mg:GaN/InGaN/Si:GaN dan Si:GaN berkualitas tinggi yang ditumbuhkan pada n-Si oleh epitaksi berkas molekul berbantuan plasma berhasil didemonstrasikan. Pengukuran fotovoltaik menunjukkan efekPCE sebesar 1,27% dan PCEtot 0,98% di bawah 1 matahari, iluminasi AM 1,5G untuk Mg:GaN/u-In0,11 Ga0,89 N/Si:GaN yang memiliki konsentrasi In yang lebih tinggi dan efek perangkap cahaya yang lebih tinggi yang menginduksi arus foto yang tinggi. Meskipun nanorod Si:GaN pada perangkat n-Si mungkin tidak memiliki bidang built-in p-n junction yang menonjol, desain struktur heterojunction yang tepat membantu mendorong pembawa foto ke kontak atas dan bawah dan meningkatkan kinerja sel.
Ketersediaan Data dan Materi
Penulis menyatakan bahwa bahan dan data tersedia untuk pembaca, dan semua kesimpulan yang dibuat dalam naskah ini didasarkan pada data yang disajikan dan ditampilkan dalam makalah ini.
